不久前，物理學(xué)家們?cè)谟钪嬷小奥?tīng)到”了宇宙的第一次震動(dòng)，最近的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)雖然并不是宇宙尺度，但卻同樣對(duì)理論物理學(xué)影響深遠(yuǎn)。歐美的科學(xué)家利用世界上最強(qiáng)大、最昂貴的粒子加速器成功測(cè)定了頂夸克的質(zhì)量，這是人類精確測(cè)量的最小的質(zhì)量。探討宇宙之大和夸克之小看似對(duì)我們的日常生活影響不大，但對(duì)于人類的未來(lái)而言卻有著巨大的意義。據(jù)悉，測(cè)定夸克質(zhì)量中動(dòng)用的歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)、美國(guó)萬(wàn)億電子伏特加速器這樣的超級(jí)基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施目前中國(guó)也在積極研究，不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們也將加入這場(chǎng)揭示宇宙神秘真相的“競(jìng)賽”中。
歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（CG效果圖）
歐洲核子研究中心與美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室3月19日在一個(gè)國(guó)際物理學(xué)會(huì)議上聯(lián)合宣布，科學(xué)家們通過(guò)歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)與美國(guó)萬(wàn)億電子伏特加速器（Tevatron）實(shí)驗(yàn)，已成功測(cè)出目前最為精確的頂夸克質(zhì)量。
夸克是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，由比質(zhì)子、中子更微小的物質(zhì)組成。頂夸克則是科學(xué)家最后發(fā)現(xiàn)的一種夸克，被認(rèn)為是了解宇宙本質(zhì)的最重要工具之一。頂夸克只在宇宙大爆炸初期的幾分之一秒內(nèi)以自然狀態(tài)存在過(guò)；而頂夸克出現(xiàn)后，會(huì)在觀察者還來(lái)不及眨眼的瞬間就衰變?yōu)槠渌?；頂夸克也是目前發(fā)現(xiàn)最重的夸克，質(zhì)量超過(guò)質(zhì)子的100倍——其巨大的質(zhì)量注定了只有很大的能量才能使其產(chǎn)生，譬如借助Tevatron及LHC這一等級(jí)的人造粒子加速器的力量。
1994年4月6日，正是美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室利用Tevatron首次發(fā)現(xiàn)了頂夸克的存在，在歐洲LHC誕生前，它也是唯一有能力使頂夸克“現(xiàn)身”的儀器。2009年LHC開(kāi)始運(yùn)行后，制造了接近一千八百萬(wàn)個(gè)頂夸克事件，以此成績(jī)躍居為全球領(lǐng)先的“頂夸克工廠”。
歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)告稱，此次精確測(cè)定的頂夸克質(zhì)量，是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)與美國(guó)萬(wàn)億電子伏特加速器國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)完成的首個(gè)合作成果。在此之前，利用兩大對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的4項(xiàng)不同的強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——超導(dǎo)環(huán)場(chǎng)探測(cè)器（ATLAS）、CDF探測(cè)器、緊湊繆子線圈（CMS）與DZero探測(cè)器均測(cè)出了頂夸克質(zhì)量，但各自測(cè)量頂夸克衰敗的路徑不同。兩大機(jī)構(gòu)科學(xué)家在匯集并分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，排除了其中的不確定性，將頂夸克質(zhì)量精確為173.34±0.76GeV／c2（GeV／c2是基本粒子質(zhì)量的一個(gè)單位）。
此次對(duì)頂夸克質(zhì)量的精確測(cè)量，將可保證進(jìn)一步驗(yàn)證并描述頂夸克、希格斯玻色子與W玻色子間量子聯(lián)系的數(shù)學(xué)框架，科學(xué)家們也將在此基礎(chǔ)上尋找新物理的“暗示”，即能更好理解宇宙本質(zhì)的新理論。
四個(gè)實(shí)驗(yàn)的合作共有來(lái)自五十多個(gè)國(guó)家超過(guò)六千名科學(xué)家參與其中，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任奈杰爾·洛克耶說(shuō)，該成果乃領(lǐng)域內(nèi)國(guó)際合作的一個(gè)極好范例。歐核中心總干事羅爾夫·豪雅則表示，正是實(shí)驗(yàn)性的合作和實(shí)驗(yàn)室之間的競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)了科學(xué)家，推進(jìn)了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。
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中國(guó)未來(lái)對(duì)撞機(jī)進(jìn)入論證階段
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)2月24日至25日在北京舉行未來(lái)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)研討會(huì)，與會(huì)科學(xué)家們討論在中國(guó)建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的可能性，以滿足被譽(yù)為“上帝粒子”的希格斯粒子發(fā)現(xiàn)之后高能物理研究領(lǐng)域?qū)Υ笮涂茖W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求。
“下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)未來(lái)可改造成質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，將推動(dòng)高能物理研究領(lǐng)域朝更高精度測(cè)量、更高能量探索方向發(fā)展?！敝锌圃焊吣芩L(zhǎng)、2014年潘諾夫斯基實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)獎(jiǎng)得主王貽芳研究員說(shuō)，未來(lái)的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)瞄準(zhǔn)希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的核心前沿物理問(wèn)題，其科學(xué)目標(biāo)是精確測(cè)量希格斯粒子的性質(zhì)以及搜索標(biāo)準(zhǔn)模型背后更基礎(chǔ)的物理規(guī)律。
一方面，中科院高能所現(xiàn)有改造后的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)還有8年運(yùn)行使命，下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成后可實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代；另一方面，大型科研基礎(chǔ)設(shè)施的建造運(yùn)行，一般都需要5到10年的準(zhǔn)備時(shí)間。因此，中國(guó)目前著手規(guī)劃下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)建造工作正是時(shí)候。
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)
這位領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)北京譜儀和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家介紹說(shuō)，下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃能量可達(dá)到240GeV(1GeV為10的9次方電子伏特)，產(chǎn)生上百萬(wàn)個(gè)希格斯粒子，這一能量也是目前運(yùn)行中的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的60倍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)方案可以改造為大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，其能量比目前正在運(yùn)行的歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)大7倍，將能提供極好的粒子物理研究機(jī)會(huì)，使中國(guó)成為粒子與加速器物理領(lǐng)域世界領(lǐng)導(dǎo)者。
中國(guó)科學(xué)家最早于2012年提出建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)并適時(shí)轉(zhuǎn)為質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的方案后，在國(guó)際上引起巨大反響。在中科院高能所未來(lái)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)研討會(huì)前夕，包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、菲爾茲獎(jiǎng)得主等在內(nèi)的近10位世界一流物理學(xué)家相聚北京，圍繞“希格斯粒子之后，基礎(chǔ)物理學(xué)向何處去”主題展開(kāi)對(duì)話，為中國(guó)建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)“助陣”。
菲爾茲獎(jiǎng)得主、哈佛與清華大學(xué)丘成桐教授說(shuō)，希格斯粒子有人叫它“上帝粒子”，今天也有一個(gè)“上帝”賜給的良機(jī)，就是參加建造下一個(gè)大型對(duì)撞機(jī)。意大利國(guó)家研究委員會(huì)主席、歐洲核子研究中心前主任魯加諾·瑪亞尼(Luciano Maiani)表示，中國(guó)有機(jī)會(huì)建造未來(lái)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，這是中國(guó)高能物理發(fā)展的機(jī)遇。
“希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)和更多認(rèn)知，將會(huì)為我們的認(rèn)識(shí)再次帶來(lái)一場(chǎng)革命。”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、荷蘭皇家科學(xué)院院士杰拉德·特·胡夫特(Gerard’t Hooft)指出，下一代高能物理對(duì)撞機(jī)的建設(shè)，將會(huì)為這場(chǎng)革命帶來(lái)重要影響。
美國(guó)普林斯頓高等研究院教授、中科院高能所高能物理前沿研究中心主任尼瑪·亞哈尼·哈米德(Nima Arkani-Hamed)認(rèn)為，探索更微觀的世界，唯一的方法是建立更大的環(huán)型加速器，第一步可以進(jìn)行正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生很多希格斯粒子，帶動(dòng)相關(guān)研究；第二步可以在加速器上進(jìn)行質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，從而探測(cè)更高的能量區(qū)域，觀察更微觀的尺度。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)物理學(xué)家戴維·格羅斯(David Gross)把建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的夢(mèng)想稱做“中國(guó)的偉大加速器”?！斑@會(huì)和萬(wàn)里長(zhǎng)城一樣引人矚目，會(huì)比萬(wàn)里長(zhǎng)城的作用更大”，它會(huì)在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域有突破和發(fā)現(xiàn)，“如果中國(guó)建造了這個(gè)加速器，世界上的許多科學(xué)家會(huì)來(lái)這兒幫忙和工作”。
菲爾茲獎(jiǎng)得主、美國(guó)普林斯頓高等研究院教授埃德沃德·威騰(Edward Witten)說(shuō)，如果在目前對(duì)撞機(jī)的能量上，再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，將會(huì)在揭示自然界的奧秘上推前一大步，“現(xiàn)在正是中國(guó)成為這一領(lǐng)域領(lǐng)袖的最好時(shí)機(jī)”。
美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授、2013年基礎(chǔ)物理獎(jiǎng)獲得者約斯夫·英坎德拉(Joseph Incandela)稱，建造新的高能加速器將非常重要，將深入理解人類賴以生存的宇宙?！霸趪?guó)際高能物理學(xué)界的下一步發(fā)展計(jì)劃中，期待中國(guó)扮演一個(gè)舉足輕重的角色”。
“希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，中國(guó)有了一個(gè)機(jī)會(huì)，利用成熟的環(huán)形加速器技術(shù)就可以建造一個(gè)‘希格斯工廠’，來(lái)研究世界上最先進(jìn)的研究課題?！蓖踬O芳表示，只有研究清楚希格斯粒子的性質(zhì)，才有可能了解粒子物理未來(lái)的方向。
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